CN109273119A - 在临界装置上测量大反应性时优化中子探测器位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了在临界装置上测量大反应性时优化中子探测器位置的方法，包括以下步骤：S1：在临界装置堆桶内设置多个预设位置；所述预设位置为可布置探测器的位置；S2：根据各预设位置处的中子通量参数得出各预设位置的空间因子；S3：从各预设位置中选取空间因子最优的预设位置作为探测位置进行探测。本发明在临界装置上测量大反应性时优化中子探测器位置的方法，通过在空间因子对预设位置进行筛选，选择空间效应较小的位置安装探测器，从该位置采集的中子信号更能代表全堆中子信号的集总，可使测量结果更加真实、准确，可在大大缩短实验时间的情况下提升大反应性测量准确度，可很大程度地降低科研成本且对于推动科技发展意义重大。

Description

在临界装置上测量大反应性时优化中子探测器位置的方法

技术领域

本发明涉及核工业技术领域，具体涉及在临界装置上测量大反应性时优化中子探测器位置的方法。

背景技术

反应性为反应堆的重要特征参数，为反应堆的中子学动态参数，也为堆芯倍增因子偏离临界状态(k_eff＝1)的一种度量。反应性与中子平均寿命、中子代时间、有效缓发中子份额、瞬发中子衰减常数等物理量均有所关联。反应堆中涉及反应性的重要物理参数有控制棒微分价值、控制棒积分价值、停堆深度、后备反应性、剩余反应性以及多种反应性系数，反应性系数例如多普勒系数、慢化剂温度系数、硼系数、功率系数等。本发明提出了一种在临界装置上测量大反应性时优化中子探测器位置的方法，其中，典型的大反应性物理参数有控制棒单棒积分价值、控制棒组棒积分价值、卡棒次临界度、停堆深度等。本发明方法可用于在临界装置上开展测量大反应性的物理试验，临界装置指的是可在低功率条件下维持自续链式裂变反应的物理试验装置，主要在反应堆核设计阶段利用临界装置对核燃料及其它材料进行多种布置而开展临界物理试验，临界装置一般为采用常温水做慢化剂的敞口装置，其堆芯灵活多变、无需冷却、安全可靠，可将临界装置视作经过简化的反应堆。

在将计算机程序及核数据库用于对实堆运行工况进行计算以及预分析之前，需要对计算机程序及核数据库进行校核、验证或评价。必须通过零功率堆的实验、反应堆物理启动实验或反应堆运行的实测数据的分析，证明所采用的计算机程序和核数据库是合理的，其计算精度能满足工程设计要求。其中，零功率堆实验、反应堆物理启动实验过程中常用中子探测器采集中子计数，并将中子计数转换成电流信号，再利用软件对电流信号进行分析处理，即可测得多种反应性数据，所测反应性数据可用于校核、验证或评价计算机程序及核数据库。

利用逆动态法可实时监测反应堆当前的反应性，以确保反应堆随时处于安全运行状态，可实现对正反应性及负反应性的测量。我单位基于逆动态法研制了数字反应性仪，本发明方法利用该数字反应性仪在临界装置上开展大反应性测量试验。逆动态方法的原理如下：

由点堆动态方程

假定反应堆处于刚启动或已停止运行很长时间，经过一系列推导，可得出如下关系式

或

上式中，积分符号内的中子计数n(τ)以τ为变量，积分符号外中子计数n(t)以t为变量。由于t＞t₀任何时刻的反应性ρ(t)可由动态方程求逆得到，故称作逆动态方法。t时刻测量的反应性与t时刻以前、t₀时刻以后的中子计数n(τ)有关，故又称作功率史暂态分析方法；公式(3)或(4)既有积分又有微分，又称作微分积分分析方法。

在临界装置上对中子探测器所获取中子信号进行处理而获取反应性时，一般是基于点堆模型，但实际的反应堆并非一个“点”，而是具有一定的空间分布，反应堆堆芯内各处的中子运动到堆芯外中子探测器处的中子个数将有所不同，使得中子探测器处获取的中子信号涨落并不能代表全堆芯中子信号涨落，即存在“空间效应”，将会使点堆模型不再准确。

在临界装置上开展大反应性测量试验时，传统的测量方法是依靠经验选择在堆芯外布置探测器的位置，往往需要更改多次探测器位置，对试验数据进行对比分析之后，才能获取较为准确的试验数据，传统的大反应性测量方法需要耗费大量人力及时间，因为每次布置好探测器开展反应堆物理试验进行大反应性测量后，需要等待反应堆辐射剂量降至本底后，才能再次依靠人工去移动中子探测器位置，随后再开展下一次重复试验。依靠经验移动中子探测器开展大反应性测量试验的方法，过程繁琐且不一定能找到最佳的探测器位置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是传统的测量方法是依靠经验选择在堆芯外布置探测器的位置，往往需要更改多次探测器位置，对试验数据进行对比分析之后，才能获取较为准确的试验数据，传统的大反应性测量方法需要耗费大量人力及时间，过程繁琐且不一定能找到最佳的探测器位置，目的在于提供在临界装置上测量大反应性时优化中子探测器位置的方法，解决上述问题。

本发明通过下述技术方案实现：

在临界装置上测量大反应性时优化中子探测器位置的方法，包括以下步骤：S1：在临界装置堆桶内设置多个预设位置；所述预设位置为可布置探测器的位置；S2：根据各预设位置处的中子通量参数得出各预设位置的空间因子；S3：从各预设位置中选取空间因子最优的预设位置作为探测位置进行探测。

现有技术中，在临界装置上开展大反应性测量试验时，传统的测量方法是依靠经验选择在堆芯外布置探测器的位置，往往需要更改多次探测器位置，对试验数据进行对比分析之后，才能获取较为准确的试验数据，传统的大反应性测量方法需要耗费大量人力及时间，因为每次布置好探测器开展反应堆物理试验进行大反应性测量后，需要等待反应堆辐射剂量降至本底后，才能再次依靠人工去移动中子探测器位置，随后再开展下一次重复试验。依靠经验移动中子探测器开展大反应性测量试验的方法，过程繁琐且不一定能找到最佳的探测器位置。

本发明应用时，发明人创造性的采用空间因子来度量空间效应的强弱。在临界装置上开展反应性测量试验时，可在堆芯以外的多个位置安放中子探测器，各个安放中子探测器的位置均具有一定程度的空间效应；空间因子最优的预设位置实际上即为空间效应较小的位置，通过在空间因子对预设位置进行筛选，选择空间效应较小的位置安装探测器，从该位置采集的中子信号更能代表全堆中子信号的集总，可使测量结果更加真实、准确，并且不需要重复等待反应堆辐射剂量降至本底并人工去移动中子探测器位置，可弥补传统方法的不足，可在大大缩短实验时间的情况下提升大反应性测量准确度，可很大程度地降低科研成本且对于推动科技发展意义重大。

进一步的，步骤S1包括以下子步骤：所述预设位置在堆桶轴向上分为上下两层。

进一步的，步骤S2包括以下子步骤：

所述空间因子K_r根据下式得出：

式中K_r为空间因子；Ψ_d(r)为临界状态下降下待测棒(组)时预设位置处的中子通量形状函数；Ψ_c(r)为临界状态下升起待测棒(组)至预设高度时预设位置处的中子通量形状函数。

本发明应用时，在开展大反应性测量试验的过程中，将待测棒(组)提升至某一高度后，维持反应堆为临界状态，此时中子探测器位置处的中子通量形状函数为Ψ_c(r)；在临界状态下，降下待测棒(组)，中子探测器位置处的中子通量形状函数变为Ψ_d(r)。将空间因子按上式进行定义。

进一步的，步骤S2包括以下子步骤：

所述空间因子K_r根据下式得出：

式中K_r为空间因子；Φ_d(r,t)为临界状态下降下待测棒(组)时预设位置处的中子通量密度；Φ_c(r,t)为临界状态下升起待测棒(组)至预设高度时预设位置处的中子通量密度。

本发明应用时，中子通量密度Φ(r,t)可以表示成时间相关幅度函数n(t)与空间相关形状函数Ψ(r)的乘积，即Φ(r,t)＝n(t)Ψ(r)，由于本发明方法在临界装置上测量待测棒(组)的积分价值时，在快速落棒的同时利用反应性仪进行跟踪测量，数据采集时间很短，可认为堆芯功率不发生变化，即认为落棒前的幅度函数n_c(t)与落棒后的幅度函数n_d(t)相同，故有如下关系式：

进一步的，步骤S2包括以下子步骤：

所述空间因子通过MCNP建立的计算模型得出；

所述空间因子K_r根据下式得出：

式中K_r为空间因子；F4_d为临界状态下降下待测棒(组)时预设位置处的栅元体通量计数；所述F4_c为临界状态下升起待测棒(组)至预设高度时预设位置处的栅元体通量计数。

本发明应用时，采用MCNP程序来计算间因空子K_r。由于假定待测棒(组)落棒前后的堆芯功率不发生变化，而MCNP程序中的栅元体通量计数F4可以理解为堆芯一个裂变中子在该栅元中产生的中子计数，故可认为待测棒(组)落棒前后，中子探测器所处位置的中子通量密度之比即为F4计数之比，即：

进一步的，所述空间因子最优的预设位置为空间因子绝对值最接近1的预设位置。

本发明应用时，探测器所处位置的空间因子的绝对值越接近1，则该位置的空间效应越小，即从该位置采集的中子信号更能代表全堆中子信号的集总，可使测量结果更加真实、准确。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明在临界装置上测量大反应性时优化中子探测器位置的方法，通过在空间因子对预设位置进行筛选，选择空间效应较小的位置安装探测器，从该位置采集的中子信号更能代表全堆中子信号的集总，可使测量结果更加真实、准确，并且不需要重复等待反应堆辐射剂量降至本底并人工去移动中子探测器位置，可弥补传统方法的不足，可在大大缩短实验时间的情况下提升大反应性测量准确度，可很大程度地降低科研成本且对于推动科技发展意义重大。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例示意图；

图2为本发明实施例示意图；

图3为本发明实施例示意图；

图4为本发明实施例示意图；

图5为本发明实施例示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，本发明在临界装置上测量大反应性时优化中子探测器位置的方法，包括以下步骤：S1：在临界装置堆桶内设置多个预设位置；所述预设位置为可布置探测器的位置；S2：根据各预设位置处的中子通量参数得出各预设位置的空间因子；S3：从各预设位置中选取空间因子最优的预设位置作为探测位置进行探测。

本实施例实施时，发明人创造性的采用空间因子来度量空间效应的强弱。在临界装置上开展反应性测量试验时，可在堆芯以外的多个位置安放中子探测器，各个安放中子探测器的位置均具有一定程度的空间效应；空间因子最优的预设位置实际上即为空间效应较小的位置，通过在空间因子对预设位置进行筛选，选择空间效应较小的位置安装探测器，从该位置采集的中子信号更能代表全堆中子信号的集总，可使测量结果更加真实、准确，并且不需要重复等待反应堆辐射剂量降至本底并人工去移动中子探测器位置，可弥补传统方法的不足，可在大大缩短实验时间的情况下提升大反应性测量准确度，可很大程度地降低科研成本且对于推动科技发展意义重大。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，步骤S2包括以下子步骤：

所述空间因子K_r根据下式得出：

式中K_r为空间因子；Ψ_d(r)为临界状态下降下待测棒(组)时预设位置处的中子通量形状函数；Ψ_c(r)为临界状态下升起待测棒(组)至预设高度时预设位置处的中子通量形状函数。

本实施例实施时，在开展大反应性测量试验的过程中，将待测棒(组)提升至某一高度后，维持反应堆为临界状态，此时中子探测器位置处的中子通量形状函数为Ψ_c(r)；在临界状态下，降下待测棒(组)，中子探测器位置处的中子通量形状函数变为Ψ_d(r)。将空间因子按上式进行定义。

实施例3

本实施例在实施例1的基础上，步骤S2包括以下子步骤：

所述空间因子K_r根据下式得出：

式中K_r为空间因子；Φ_d(r,t)为临界状态下降下待测棒(组)时预设位置处的中子通量密度；Φ_c(r,t)为临界状态下升起待测棒(组)至预设高度时预设位置处的中子通量密度。

本实施例实施时，中子通量密度Φ(r,t)可以表示成时间相关幅度函数n(t)与空间相关形状函数Ψ(r)的乘积，即Φ(r,t)＝n(t)Ψ(r)，由于本发明方法在临界装置上测量待测棒(组)的积分价值时，在快速落棒的同时利用反应性仪进行跟踪测量，数据采集时间很短，可认为堆芯功率不发生变化，即认为落棒前的幅度函数n_c(t)与落棒后的幅度函数n_d(t)相同，故有如下关系式：

实施例4

本实施例在实施例1的基础上，步骤S2包括以下子步骤：

所述空间因子通过MCNP建立的计算模型得出；

所述空间因子K_r根据下式得出：

式中K_r为空间因子；F4_d为临界状态下降下待测棒(组)时预设位置处的栅元体通量计数；所述F4_c为临界状态下升起待测棒(组)至预设高度时预设位置处的栅元体通量计数。

本实施例实施时，采用MCNP程序来计算间因空子K_r。由于假定待测棒(组)落棒前后的堆芯功率不发生变化，而MCNP程序中的栅元体通量计数F4可以理解为堆芯一个裂变中子在该栅元中产生的中子计数，故可认为待测棒(组)落棒前后，中子探测器所处位置的中子通量密度之比即为F4计数之比，即：

实施例5

本实施例在实施例1的基础上，所述空间因子最优的预设位置为空间因子绝对值最接近1的预设位置。

本实施例实施时，探测器所处位置的空间因子的绝对值越接近1，则该位置的空间效应越小，即从该位置采集的中子信号更能代表全堆中子信号的集总，可使测量结果更加真实、准确。

实施例6

如图2和图3所示，在利用MCNP程序建立本发明所提出临界装置的计算模型时，利用MCNP的栅元卡及曲面卡按照由内而外的顺序，依次对燃料栅元、燃料组件、堆芯、围板、反射层、堆桶进行精确描述，并且可在计算模型中自由提升或下插控制棒。在建立好包含反应堆堆芯的临界装置模型之后，需利用多个实际测量的临界棒位对计算模型进行校核及验证。

表1给出了多个实测临界棒位下的增殖系数K_eff的计算值与实测值，计算结果表明，计算值与试验值的最大偏差仅为3.53‰，计算精度较高，计算模型正确。

表1 K_eff计算结果

在利用MCNP程序建立临界装置的计算模型时，本发明方法按照实际尺寸将中子探测器写入计算模型之中，如图2所示，根据临界装置堆桶内的实际情况，在径向上选择了32个可安置探测器的位置，如图3所示，在轴向上可布置探测器的位置分为上下两层，即在堆桶水慢化剂内选择了64个可布置探测器的位置进行空间因子计算。其中，在建模时的中子探测器布置方式视临界装置或反应堆具体情况而定。

实施例7

本实施例测量反应性时使用数字反应性仪，其通过中子探测器采集中子计数并转换为电流信号，通过对电流信号进行分析，得出当前测量反应性。数字反应性仪基于逆动态法跟踪堆芯在临界状态附近的动态反应性，可通过在控制台上微调控制棒，监测反应性仪可视化界面的反应性曲线变化，最终确定堆芯处于临界状态(反应性ρ＝0)。在临界装置上开展大反应性测量试验时，数字反应性仪基于逆动态法测量控制棒(组)的积分价值，积分价值测量对象包括单棒全高度或部分高度积分价值、棒组积分价值、卡棒次临界度、停堆深度等，其原理是，将待测控制棒提至目标棒位，调整堆内其它控制棒棒位，使反应堆达临界，然后落下控制棒，利用数字反应性仪采集落棒过程中的电流变化，即可确定待测控制棒的积分价值。

在本研究的实施过程中，逆动态法测量控制棒(组)的大反应性时是在堆芯临界状态下进行落棒测量的，对于堆内不同探测器位置处，首先利用MCNP程序计算出堆芯临界状态下待测控制棒落棒后与落棒前(临界状态)的中子通量密度之比(即空间因子)，然后找出堆内空间因子最小(绝对值最接近于1)的位置，将探测器安置在此处，最后在试验过程中进行落棒，启动数字反应性仪进行测量并用空间因子对测量结果进行修正。具体流程图如图1所示。

为验证本发明方法的科学性，针对需要测量积分价值的待测棒(R棒)，开展建模计算及大反应性测量试验。如图4及图5所示，将布置有上下两层探测器的径向剖视图区分开，进而将上述64个位置编号为701至764。针对需要测量积分价值的待测棒(R棒)，利用MCNP程序计算出上述64个位置的空间因子。计算R棒积分价值测量的空间因子时，临界状态指的是将待测控制棒束棒提到顶部，将其余所有控制棒提至同一高度，进而维持堆芯临界状态；然后将待测控制棒棒位置零，计算待测控制棒在顶与在底堆芯状态的增殖系数之差，即为束棒计算积分价值。表2给出了临界装置内64个中子探测器位置处的空间因子计算值。

表2R棒积分价值测量时各个位置的空间因子计算值

如表2所示，745位置处的空间因子最接近1，仅为1.003，此处在R棒落棒前后的中子通量密度畸变最小，将反应性仪用的中子探测器安置在此处可使测量结果最准确。从表1还可看出，713及714位置处的空间因子最小，这是合理的，由图3、图4可知，713及714位置离R棒最近，R棒落棒后，R棒附近的中子通量密度减小量最大，而空间因子为控制棒在底与在顶时的中子通量密度之比。在落下R棒，利用数字反应性仪进行测量时，将空间因子1.003输入数字反应性仪之中进行修正，经修正后的R棒积分价值的实际测量值为2867pcm，而计算值为2771pcm，二者偏差不到100pcm，符合很好。试验结果表明，本发明方法可一次性找到堆内的最佳探测器位置，可节省宝贵的时间并确保测量准确度。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.在临界装置上测量大反应性时优化中子探测器位置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在临界装置堆桶内设置多个预设位置；所述预设位置为可布置探测器的位置；

S2：根据各预设位置处的中子通量参数得出各预设位置的空间因子；

S3：从各预设位置中选取空间因子最优的预设位置作为探测位置进行探测。

2.根据权利要求1所述的在临界装置上测量大反应性时优化中子探测器位置的方法，其特征在于，步骤S1包括以下子步骤：

所述预设位置在堆桶轴向上分为上下两层。

3.根据权利要求1所述的在临界装置上测量大反应性时优化中子探测器位置的方法，其特征在于，步骤S2包括以下子步骤：

所述空间因子K_r根据下式得出：

式中K_r为空间因子；Ψ_d(r)为临界状态下降下待测棒(组)时预设位置处的中子通量形状函数；Ψ_c(r)为临界状态下升起待测棒(组)至预设高度时预设位置处的中子通量形状函数。

4.根据权利要求1所述的在临界装置上测量大反应性时优化中子探测器位置的方法，其特征在于，步骤S2包括以下子步骤：

所述空间因子K_r根据下式得出：

式中K_r为空间因子；Φ_d(r,t)为临界状态下降下待测棒(组)时预设位置处的中子通量密度；Φ_c(r,t)为临界状态下升起待测棒(组)至预设高度时预设位置处的中子通量密度。

5.根据权利要求1所述的在临界装置上测量大反应性时优化中子探测器位置的方法，其特征在于，步骤S2包括以下子步骤：

所述空间因子通过MCNP建立的计算模型得出；

所述空间因子K_r根据下式得出：

式中K_r为空间因子；F4_d为临界状态下降下待测棒(组)时预设位置处的栅元体通量计数；所述F4_c为临界状态下升起待测棒(组)至预设高度时预设位置处的栅元体通量计数。

6.根据权利要求3～5任意一项所述的在临界装置上测量大反应性时优化中子探测器位置的方法，其特征在于，所述空间因子最优的预设位置为空间因子绝对值最接近1的预设位置。